Upload
others
View
6
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ
РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
ФГБОУ ВО «СГУ имени Н.Г. Чернышевского»
Институт химии
УТВЕРЖДАЮ
Проректор
по учебно-методической работе
проф., д. филол. н. _________ Елина Е.Г.
"__" __________________20___ г.
Рабочая программа дисциплины
Химические источники тока
Направление подготовки
04.03.01 "Химия"
Профиль подготовки
Физическая химия
Квалификация (степень) выпускника
Бакалавр
Форма обучения
очная
Саратов,
2016 г.
2
1. Цели освоения дисциплины «Химические источники тока»
Целью освоения дисциплины «Химические источники тока» является
формирование у студентов компетенций, связанных с пониманием теоретиче-
ских законов химии и физики в их практическом приложении к электрохими-
ческим процессам накопления и переноса заряда, энергии и вещества в акку-
мулирующих устройствах, а также выработка у обучающегося умения плани-
ровать и организовывать свою деятельность, самостоятельно приобретать зна-
ния, используя различные источники информации.
2. Место дисциплины в структуре ООП бакалавриата
Дисциплина «Химические источники тока» (Б1.В.ДВ.1.1) является
дисциплиной по выбору и относится к вариативной части блока Б1 «Дисци-
плины». Материал дисциплины базируется на ранее приобретенных знаниях
по химии, физике и высшей математике в объеме курсов ООП по направлению
04.03.01 "Химия", освоении предшествующих дисциплин «Методы математи-
ческой статистики в химии» (Б1.Б.6), «Физические методы исследования со-
става и структуры веществ» (Б1.В.ОД.5), «Физическая химия» (Б1.Б.13), (4 – 6
семестры).
Для успешного освоения дисциплины студент должен иметь знания по
физике, общей химии и физической химии, в том числе теории электричества
и электрохимии, владеть навыками работы с компьютером, уметь проводить
статистическую обработку результатов эксперимента. Эти знания и умения
приобретаются в ходе изучения предшествующих дисциплин.
Дисциплина «Химические источники тока является основой для после-
дующего изучения дисциплин «Электрохимические методы исследования.
Электроформование» (Б1.В.ДВ.2.1), «Электрохимия электролитов»
(Б1.В.ДВ.2.2), «Биоэлектрохимия» (Б1.В.ДВ.5.1). Освоение данной дисци-
плины необходимо для последующего применения полученных знаний, уме-
ний и навыков при выполнении задач в научно-исследовательской деятельно-
сти и выполнения ВКР.
3. Компетенции обучающегося, формируемые в результате освоения
дисциплины «Химические источники тока»
В результате освоения дисциплины «Химические источники тока» бака-
лавр формирует следующие компетенции:
- способность получать и обрабатывать результаты научных экспери-
ментов с помощью современных компьютерных технологий (ПК-5);
- способность к поиску и первичной обработке научной и научно техни-
ческой информации (ОПК-5).
В результате освоения дисциплины обучающийся должен:
•Знать:
3
Основные законы электрохимии, основы теории химических источни-
ков тока;
Основные понятия и классификацию химических источников тока;
Основные электрохимические системы, применяемые в химических ис-
точниках тока.
•Уметь:
Детально охарактеризовать основные электрохимические системы (не
менее 10), нашедшие применение в жизни современного общества;
Использовать полученные знания в профессиональной, научно-исследо-
вательской и педагогической деятельности.
•Владеть:
методами физико-химического эксперимента;
методами отбора материала для теоретических занятий и лабораторных
работ;
методиками работы на серийной аналитической и электрохимической
аппаратуре, применяемой в физико-химических исследованиях;
4
4. Структура и содержание дисциплины «Химические источники
тока»
Вариативная дисциплина цикла дисциплин направления
Общая трудоемкость дисциплины составляет 5 зачетных единиц (180 часов).
Из них 36 лекций, 108 СРС, 36 часов – экзамен.
4.1. Структура лекционного курса №
п/п
Раздел дисциплины
Сем
естр
Нед
еля с
емес
тра
Виды учебной работы,
включая самостоятель-
ную работу студентов и
трудоемкость (в часах)
Формы текущего
контроля успева-
емости (по неде-
лям семестра)
Формы проме-
жуточной атте-
стации (по се-
местрам)
лекции сам.
раб.
всего
1
1.1
Введение
Раздел 1.
Введение в теорию ХИТ.
Общее устройство ХИТ.
6
1-3
1
6
2
36
42
1.2
Термодинамика ХИТ. 6 2 2
1.3 Общая характеристика пере-
заряжаемых ХИТ
3 2
2
2.1
Раздел 2.
Химические источники
тока с водным электроли-
том
Традиционные ХИТ с водным
электролитом
6 4-7
4
8
2
18 26
2.2 Перезаряжаемые ХИТ с вод-
ным электролитом.
5-7 6
3
3.1 Раздел 3. Литиевые ХИТ
Первичные литиевые ХИТ
6 8-10
8 6 2
18 24
3.2 Перезаряжаемые литиевые
ХИТ
9,10 4
4
Раздел 4
Топливные элементы (ТЭ).
Водородная энергетика
6 11-17
11 14
2
18 32
4.1
.
Классификация топливных
элементов
12-15 8
4.2 Высокотемпературные топ-
ливные элементы
16 2
4.3 Электрохимические генера-
торы
17 2
5 Раздел 5.
Электрохимические кон-
денсаторы
6 18 1 18 19
6 Раздел 6. 6 18 1 1 Сдача рефера-
тов
5
Заключение
Проблемы и перспективы
развития ХИТ
Итого 1-18 36 108 180* Экзамен
* В том числе экзамен – 36 часов.
6
Содержание дисциплины
Введение.
Предмет курса. Его связь с курсом физической химии. Основные понятия.
Раздел 1. Введение в теорию ХИТ.
Тема 1.1 Общее устройство ХИТ.
Классификация ХИТ. Электрохимические процессы в ХИТ различных типов (на примере
электрохимических систем Zn/MnO2 и Zn/Ag2O). Токообразующие реакции.
Тема 1.2. Термодинамика ХИТ.
Расчет электродвижущей силы (ЭДС) и ее зависимость от температуры и концентрации ре-
агентов для электрохимических систем с цинковым анодом. Основные электрические пара-
метры ХИТ: напряжение, мощность, емкость, энергия. Понятие об удельных, номинальных
и предельных параметрах. Вольтамперная, разрядная и мощностная характеристики. Ин-
тенсивные и экстенсивные параметры.
Тема 1.3. Общая характеристика перезаряжаемых ХИТ.
Параметры, характеризующие перезаряжаемые ХИТ. Побочные процессы в ХИТ. Комму-
тация ХИТ. Общие требования к ХИТ. Выбор электродных материалов для ХИТ (удельные
параметры, электродные потенциалы, сохранность заряда, экономическая целесообраз-
ность и др.). Типовые конструкционные решения для ХИТ. Классификации типоразмеров.
Раздел 2. Химические источники тока с водным электролитом
Тема 2.1. Традиционные ХИТ с водным электролитом.
ХИТ с цинковым анодом. Система Zn/MnO2 (электрохимия, токообразующие реакции, ха-
рактеристики, конструкция, особенности эксплуатации, области применения) (Примеча-
ние: далее для каждой электрохимической системы предполагается рассмотрение анало-
гичных пунктов). Источники тока с хлоридным и щелочным электролитом. Система
Zn/CuO. Система Zn/HgO.
Тема 2.2. Перезаряжаемые ХИТ с водным электролитом.
Система Zn/AgO (Ag2O). Система Pb/PbO2 (свинцовый аккумулятор). Термодинамика вто-
ричных систем на примере Pb/PbO2. Расчет ЭДС и ее зависимость от температуры и кон-
центрации электролита. Режим работы свинцовых аккумуляторов и особенности их экс-
плуатации.
Система Cd/NiOOH (никель-кадмиевый аккумулятор). Система H2/NiOOH (никель-ме-
таллгидридный аккумулятор). Сравнение характеристики различных вторичных электро-
химических систем. Коммерческая динамика выпуска аккумуляторов различных систем.
Современное состояние отечественных разработок.
Раздел 3. Литиевые ХИТ
Тема 3.1. Первичные литиевые ХИТ
Система Li/H2O. Растворители и соли, используемые в литиевых ХИТ. Взаимодействие ли-
тия с растворителями (пропиленкарбонат, этиленкарбонат) и газами (O2, CO2, N2). Пасси-
вационная теория устойчивости лития в окружающей среде. Система Li/SO2. Система
Li/SOCl2.
Литиевые ХИТ с твердым катодом. Система Li/CuO. Система LiMnO2.
Безэлектролитные литиевые ХИТ. Система Li/I2.
Тема 3.2. Перезаряжаемые литиевые ХИТ
7
Проблема перезаряжаемых литиевых ХИТ. Интеркаляция лития в углерод и оксиды метал-
лов. Литий-ионный и литий-полимерный аккумуляторы. Система LiC6 / LiCoO2.
Современное состояние рынка литиевых ХИТ.
Раздел 4. Топливные элементы. Водородная энергетика
Принцип работы и история развития. Водородная энергетика.
Тема 4.1. Классификация топливных элементов
Система H2 / O2.(воздух). Система H2, CO / O2. Система метанол / кислород. Система бо-
рогидрид / кислород. Система муравьиная кислота / кислород. Другие электрохимиические
системы топливных элементов. Проблемы и перспективы.
Тема 4.2. Высокотемпературные топливные элементы
Системы с твердыми, жидкими и расплавленными элетролитами. Проблемы и перспек-
тивы.
Тема 4.3. Электрохимические генераторы
Электрохимические генераторы. Гибридные энергетические установки.
Раздел 5. Электрохимические конденсаторы
Принцип работы и история развития. Классификация электрохимических конденсаторов.
Варианты электрохимических систем. Место электрохимических конденсаторов в ряду хи-
мических источников тока.
Раздел 6. Заключение
Сравнение состояния отечественных разработок ХИТ с мировым уровнем. Перспективы
развития ХИТ.
5. Образовательные технологии
При освоении дисциплины «Химические источники тока» наряду с традиционными
образовательными технологиями широко используются технологии, основанные на компь-
ютерных симуляциях, разборе конкретных ситуаций в сочетании с внеаудиторной работой
с целью формирования и развития профессиональных навыков обучающихся. В рамках
учебного курса предусмотрены встречи с представителями российских и зарубежных ком-
паний, занятых в разработке и производстве химических источников тока, мастер-классы
экспертов и специалистов. Наличие достаточного лабораторного оборудования и широкий
спектр объектов исследования позволяют сделать лабораторный практикум многовариант-
ным и индивидуальным для каждого студента. Всего интерактивные формы составляют 25
ч (более 30 % аудиторных часов).
При обучении инвалидов и лиц с ограниченными возможностями здоровья
необходимо создание комфортного психологического климата в студенческой группе; про-
ведение индивидуальных консультаций с применением как электронной почты с примене-
нием как электронной почты, при необходимости предоставляется дополнительное время
для подготовки ответа на экзамене.
6. Учебно-методическое обеспечение самостоятельной работы сту-
дентов. Оценочные средства для текущего контроля успеваемости, про-
межуточной аттестации по итогам освоения дисциплины.
Самостоятельная работа студентов предполагает освоение теоретиче-
ского материала, подготовку к текущему и итоговому контролю. Форма ито-
гового контроля – экзамен (билеты в приложении 2).
7. Данные для учета успеваемости студентов в БАРС
8
Таблица 1.1 Таблица максимальных баллов по видам учебной деятельности.
1 2 3 4 5 6 7 8 9
Семестр Лек-
ции
Лабора-
торные
занятия
Практиче-
ские заня-
тия
Самостоя-
тельная ра-
бота
Автоматизи-
рованное те-
стирование
Другие
виды
учебной
деятельно-
сти
Промежу-
точная ат-
тестация
(экзамен)
Итого
6 30 30 40 100
Лекции – 30 баллов, оцениваются посещаемость (максимально 5 баллов), актив-
ность в аудитории (максимально 5 баллов), баллы начисляются в конце семестра.
За посещаемость начисляются баллы в соответствии со следующими критериями:
студент присутствовал на всех (18-ти) лекционных занятиях — 15 баллов;
студент присутствовал на 16-17 лекционных занятиях — 8 баллов;
студент присутствовал на 14-15 лекционных занятиях — 6 баллов;
студент присутствовал на 12-13 лекционных занятиях — 4 балла;
студент присутствовал на 10-11 лекционных занятиях — 2 балла;
студент присутствовал менее чем на 10 лекционных занятиях — 0 баллов.
За активность в аудитории могут быть начислены баллы в случае, если студент по-
сетил не менее 10 лекционных занятий и в соответствии с нижеприведёнными кри-
териями:
студент проявлял активность в обсуждении затрагиваемых вопросов более
чем на 80% посещённых им лекционных занятий — 15 баллов;
студент проявлял активность в обсуждении затрагиваемых вопросов на 60–
80% посещённых им лекционных занятиях — 8 баллов;
студент проявлял активность в обсуждении затрагиваемых вопросов на 40–
60% посеsщённых им лекционных занятиях — 6 баллов;
студент проявлял активность в обсуждении затрагиваемых вопросов на 20-
40% посещённых им лекционных занятиях — 4 балла;
студент проявлял активность в обсуждении затрагиваемых вопросов, но не
более чем на 20% посещённых им лекционных занятиях — 2 балла;
студент не проявлял активности в обсуждении затрагиваемых вопросов ни
на одной из лекций — 0 баллов.
Самостоятельная работа – 30 баллов, оценивается качество подготовки ре-
ферата: грамотность в оформлении реферата (10 баллов), актуальность (10
баллов), отсутствие плагиата (10 баллов).
Другие виды учебной деятельности - нет.
Промежуточная аттестация – экзамен (40 баллов). экзамен проходит в виде
устного опроса: знание основных определений и законов (10 баллов), умение
9
записать итоговые уравнения (10 баллов), анализ основных уравнений, пре-
делы их применимости, практическая значимость (20 баллов).
при проведении промежуточной аттестации
ответ на «отлично» оценивается от 35 до 40 баллов;
ответ на «хорошо» оценивается от 28 до 34 баллов;
ответ на «удовлетворительно» оценивается от 20 до 27 баллов;
ответ на «неудовлетворительно» не оценивается.
Таким образом, максимально возможная сумма баллов за все виды учебной
деятельности студента за 6 семестр по дисциплине «Химические источники
тока» составляет 100 баллов.
Таблица 2.2 Таблица пересчета полученной студентом суммы баллов по дис-
циплине «Химические источники тока» в оценку (экзамен):
85-100 баллов «отлично»
_70-84 балла «хорошо»
_55-_69_ бал-
лов
«удовлетворительно»
_0-_54 баллов «неудовлетворительно»
10
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисци-
плины
а) основная литература:
1. .Тазетдинов Р.Г. Химические источники тока с реакционно формирую-
щимся элеткролитом [Текст]. – М.: Изд-во МАИ. 2013. - 172 с. - ISBN
978-5-4316-0115-6 : Б. ц. (ЭБС «ИНФРА-М»).
2. Суворин А.В. «Электротехнологические установки [Текст]. - Красно-
ярск, Сибирский федеральный университет, 2011. ISBN 978-5-7638-
2226-7 : Б. ц. (ЭБС «ИНФРА-М»).
3. Химические источники тока: лабораторный практикум [Текст] : прак-
тикум / Ершова . - Иваново : Ивановский государственный химико-тех-
нологический университет, Б. г.. - 34 с. - Б. ц. (ЭБС «РУКОНТ»)
б) дополнительная литература:
1. Дамаскин Б.Б., Петрий О.А., Цирлина Г.А. Электрохимия – М.: Химия,
2006. – 624 с.
в) программное обеспечение и Интернет-ресурсы
1. Чуриков А.В. Электронный вариант курса лекций "Современные хими-
ческие источники тока" // 1 файл; 1,7 Мб; 2012 год; размещено на сайте
НБ СГУ в рубрике "ЭБ учебно-методической литературы" –
http://library.sgu.ru/uch_lit/657.pdf
2. Электронное учебное пособие Казаринов И.А., Чуриков А.В., Степанов
А.Н., Иванищев А.В. «Специальный практикум по теоретической и при-
кладной электрохимии» (размещено на компьютерах в учебной лабора-
тории № 6)
9. Материально-техническое обеспечение дисциплины
учебная лаборатория для выполнения практических работ, оснащен-
ную необходимым оборудованием;
- лаборатории для проведения научно-исследовательской работы.
Выполнение лабораторных работ обеспечивается химическими реакти-
вами, лабораторной посудой и учебным (учебно-научным) оборудованием в
соответствии с программой: трехэлектродные ячейки, электронные потен-
циостаты, лабораторные исследовательские комплексы, сочетающие испол-
нительные устройства: потенциостаты/гальваностаты серии IPC, частотные
анализаторы FRA, модуль ЕМ-04 (установка вращающийся дисковый элек-
трод), цифровые мультиметры, амперметры и вольтметры
Обработка экспериментальных данных и решение задач проводится в
кафедральном дисплейном классе на персональных компьютерах с соответ-
11
ствующим лицензионным программным обеспечением (Microsoft Offis 2003,
2007, Mathcad ). При использовании электронных изданий каждый обучаю-
щийся обеспечен во время самостоятельной подготовки рабочим местом в
компьютерном классе с выходом в Интернет.
Использование технических средств является доступным для широкого
круга пользователей с ограниченными возможностями здоровья и позволяет
осуществлять прием-передачу информации в доступной форме.
Программа составлена в соответствии с требованиями ФГОС ВО по направле-
нию 04.03.01 "Химия" и профилю подготовки «Физическая химия».
Автор: доцент, кандидат химических наук Иванищев А.В.
Программа разработана в 2011 г. (одобрена на заседании кафедры физической
химии от 28 февраля 2011 года, протокол № __10_).
Программа актуализирована в 2014 г. (одобрена на заседании кафедры физи-
ческой химии от 18 сентября 2014 года, протокол № __2_).
Программа актуализирована в 2016 г. (одобрена на заседании кафедры физи-
ческой химии от 29 августа 2016 года, протокол № 1).
Подписи:
Зав. кафедрой физической химии
д.х.н., проф. Казаринов И.А.
Директор Института химии СГУ
д.х.н., проф. Федотова О.В.